專利名稱：多范圍非接觸探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精確測量儀，尤其涉及在坐標測量儀中使用的多范圍非接觸探針(multi-range non-contact probe )。
背景技術(shù)：
在一種坐標測量儀中，使用探針掃描工件表面。掃描后提供工件的三維 輪廓。在一種掃描探針(probe)中，通過使探頭(probe head)的機械觸頭接 觸工件表面的各個點來直接測量工件。在一些情況下，機械觸頭是球狀物。在另一種坐標測量儀中，使用不與表面發(fā)生物理接觸來測量工件的"非 接觸，，光學探針。某一光學探針利用光點(例如三角探針)，另一種所謂的 視頻內(nèi)窺鏡包括攝影機，其檢測大部分工件表面。在一些系統(tǒng)中，工件幾何 形狀的坐標通過圖像處理軟件確定。這種探針通常被設計用來獲得工件表面的精確測量(例如，在某一實例 中，探針甚至可用于提供微米級的精確測量)。在這樣一些探針中，光學測 量系統(tǒng)的焦深或景深(DOF)相對有限。換句話說，探針被設計成在定位在 相對于工件表面的相對小范圍內(nèi)時能更好的工作，但是一旦其位于該范圍外 (既不太近也不太遠)，光學就會位于焦點外，很難辨別表面相對于探針的 位置。在一些實例中，探針在靠近工件移動時可能會意外的"撞擊"工件表 面，而沒有關(guān)于探針靠近表面的警報。非接觸探針的另 一個難點在于測量探針需要頻繁交替連接各種"探頭" 在坐標測量儀上。目前，RenishawTM探頭常用于工業(yè)中某些應用中。這些探 頭由位于聯(lián)合王國格洛斯特郡(Gloucestershire )的Renishaw Metrology有限 公司制造。而Renishaw型探頭系統(tǒng)是工業(yè)中最常使用的，某些儀器可視型 技術(shù)不能輕易地包含在Renishaw型系統(tǒng)中。關(guān)于使用Renishaw型探頭系統(tǒng) 的一個具體問題是現(xiàn)有的機器和探針之間的連接為有限數(shù)量的有線連接，其 實質(zhì)是增加附加技術(shù)和/或特征到兼容探針中的"瓶頸"，這是因為缺少傳輸所需數(shù)量的控制和數(shù)據(jù)信號的物理連線。
本發(fā)明的目的是提供一種裝置，其可以克服上述和其它缺點。 發(fā)明內(nèi)容更具體地，提供一種多范圍非接觸探針，除了具有更精確的結(jié)構(gòu)光測量 功能之外，其使坐標測量以執(zhí)行特定"測距，，功能。此外，該多范圍非接觸 探針特別簡單且設計緊湊，并且與非接觸探針控制界面兼容，從而與現(xiàn)有探頭系統(tǒng)(例如Renishaw型系統(tǒng))、或提供有限數(shù)量線連接的探頭系統(tǒng)一起使 用具有更多有利的測量性能和功能。因此該多范圍非接觸探針可以自動與現(xiàn) 有探頭系統(tǒng)使用的其它類型的測量探針互換。根據(jù)本發(fā)明的一方面，為了執(zhí)行特定"測距"功能，沿第一光學路徑 (path )定向以提供結(jié)構(gòu)光測量功能的激光束還在可選擇的時間周期內(nèi)沿第 二光學路徑定向，以提供用于確定工件表面距離三角形參考。具有光學特性 不同的至少兩個部分的單個光束修正元件可用于沿第一和第二光學^4圣定 向激光束。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一實施例中，光束是在第一時間周期內(nèi)沿第 一路徑定向以提供結(jié)構(gòu)光功能的激光束。更具體地，在一實施例中，在第一 時間周期內(nèi)，激光束穿過旋轉(zhuǎn)光束修正元件(rotating beam modification element)的散射部分(diffliser portion)以形成沿第 一光束路徑的相對散射 照明(relatively difftise illumination )。然后該相對散射照明被空間光調(diào)制器 圖案化(pattemed)，然后在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)投影結(jié)構(gòu)光圖案(structured light image range )。 然后，在第二時間周期，旋轉(zhuǎn)光束修正元件轉(zhuǎn)動以使偏轉(zhuǎn)部 分進入激光束路徑，從而使偏轉(zhuǎn)的激光束成為沿測距成像范圍(range finding image range)的第二光束路徑的相對集中照明。在這種結(jié)構(gòu)中，在第一時間 周期內(nèi)，相機操作以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在工件表面上，以提供相對于探針的 第一距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)。因此在第二時間周期內(nèi)，相機操作以將相 對集中照明成像在工件表面上，以提供第二距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)，因 此提供"測距"功能，其用于確定在延伸超出結(jié)構(gòu)光成像范圍的范圍內(nèi)的工 件表面距離。


參考下面結(jié)合附圖的詳細說明可以更好地理解本發(fā)明的前述方面和許
多伴隨的優(yōu)點，其中圖l是具有坐標測量儀、探針、控制器和用戶接口的坐標測量系統(tǒng)的方框圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的多范圍結(jié)構(gòu)光探針內(nèi)部部件的視圖；圖3是表示圖2所示結(jié)構(gòu)光探針測量探針的布置視圖；圖4是圖2和3所示測量探針的旋轉(zhuǎn)光束修正元件的視圖；以及圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的多范圍結(jié)構(gòu)光探針的操作流程的流程圖。
具體實施方式
圖1是坐標測量系統(tǒng)100的視圖。該坐標測量系統(tǒng)100包括坐標測量 儀控制器120;計算機和用戶接口 160;探針控制器170和坐標測量儀200。 控制器120包括探頭控制器130;位置鎖存器(position latch)140和動作控 制器150。該坐標測量儀200包括非接觸結(jié)構(gòu)光探針110。坐標測量儀200通過數(shù)據(jù)傳輸線115 (例如總線)與所有其它部件連通， 數(shù)據(jù)傳輸線通過連接器175 (例如"micro-D"型連接器)連接到探頭電纜 215,該探頭電纜為非接觸結(jié)構(gòu)光探針110提供信號以及從那里接收信號。 坐標測量儀200由坐標測量儀控制器120控制，而非接觸結(jié)構(gòu)光4冢針I(yè)IO被 探針控制器170控制。使用者可通過計算機和用戶接口 160控制所有部件。圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的多范圍結(jié)構(gòu)光探針110'內(nèi)部部件的 視圖，該多范圍結(jié)構(gòu)光探針110'是圖1所示探針110的一個實施例。探針110' 包括探針殼體205;激光器230;鏡子(mirror) 232和232';光束修正元 件電機235;根據(jù)本發(fā)明第一實施例的旋轉(zhuǎn)光束修正元件240;空間光調(diào)制 器250;投影光學系統(tǒng)255;濾鏡265、相機270;照明光學系統(tǒng)273;以及 探針控制界面電子件290。探頭220通過探頭電纜215接收和發(fā)送探針信號。 探頭220固定在坐標測量儀套筒217上。探頭220通過探針自連接器(probe autojoint connection)280連接在探針110'上。在一些實施例中，探頭220在 水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360度并且包含U型連接件。該探針自連接器280是電機械連 接器，其以可以與一個探針脫離和與另一個連接的方式將探頭220與結(jié)構(gòu)光 探針110'剛性地和機械地固定。該結(jié)構(gòu)光探針110'通過自連接器280接收其控制信號。通過自連接器
280傳到結(jié)構(gòu)光探針110'的該信號通過連接線285傳到探針控制界面電子件 290。該探針控制界面電子件290包括解碼器部分225，其利用已知電路和/ 或軟件技術(shù)進行信號處理操作，這在下面將要詳細說明。探針控制界面電子 件290通過各種信號線、包括激光器電源和控制線233、光束修正元件電機 電源和控制線237、光電探測器電源和信號線238、空間光調(diào)制器電源和控 制線239、相機觸發(fā)和控制線275a、相機電源線275b以及模擬^L頻輸出線 275c發(fā)送和接收信號。激光器電源和控制線233在一些實施例中可為小總線 (minibus),其為激光器230的控制和電源線。激光器230在一實施例中為固 態(tài)激光器。在一實施例中，激光器230可提供大約IOO毫瓦的光輸出。如在下面結(jié)合圖4的詳細說明中，在一實施例中，旋轉(zhuǎn)光束修正元件 240包括散射部分和相對小的偏轉(zhuǎn)部分。在操作中，電才幾電源和控制線237 控制光束修正元件電才幾235以旋轉(zhuǎn)光束修正元件240。在光束修正元件240 的大部分旋轉(zhuǎn)期間，來自激光器的光束穿過散射部分并作為散射激光束231 沿著第一光束路徑從光束修正元件240輸出，該散射激光束提供相對散射照 明，用于在相對窄的測量范圍沿著相對于探針的"Z-probe"測量方向的結(jié)構(gòu) 光測量操作。然而，當偏轉(zhuǎn)部分位于激光器230前方時，穿過偏轉(zhuǎn)部分的激 光束作為集中激光束23l'沿第二光束路徑從光束修正元件240輸出，該集中 激光束提供相對集中照明，用于在相對大的范圍內(nèi)沿著Z-probe方向測量 ("測距，，)和/或碰撞檢測。每個激光束231和231'的路徑和測距操作將在下 文"^細i兌明。關(guān)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光測量的操作，光束修正元件240的散射部分位于激光 器230的前方，散射激光束231從散射部分朝反射鏡232輸出。該激光束在 進入旋轉(zhuǎn)光束修正元件240之前被校準。光束修正元件240的散射部分用于 消除相機270在工件測量操作時捕捉的結(jié)構(gòu)光工件圖像上的斑點。在一實施 例中，散射部分提供可選擇數(shù)值的有效數(shù)值孔徑(NA)(例如NA = 0.5)。 旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的散射部分輸出作為散射光的激光束231,其根據(jù)所 提供的NA發(fā)散，并且通過鏡232反射進入照明光學系統(tǒng)273。該照明光學 系統(tǒng)273可校準該散射光并將使其穿過空間光調(diào)制器250傳輸。來自空間光 調(diào)制器250的光通常包括通過投影光學系統(tǒng)255投影(即成像)在工件表面 上的結(jié)構(gòu)光圖案，其中該工件表面近似為標稱投影圖案平面(nominal projection pattern plane ) 262。在一實施例中，照明光學系統(tǒng)273被設計用于
提供柯而勒照明(Koehler illumination),其在穿過空間光調(diào)制器250時不會被 完全校準，而是適于工件的結(jié)構(gòu)光照明的充分校準。在一實施例中，投影光 學系統(tǒng)255的第一透鏡可使來自空間光調(diào)制器250的結(jié)構(gòu)光照明位于孔徑 260的焦點上，從而用來控制標稱投影圖案平面262上的結(jié)構(gòu)光圖案的焦深。 在一實施例中，空間光調(diào)制器250為商業(yè)上使用的空間光調(diào)制器，例如索尼 的LCX017AL,這可以通過位于美國紐約的索尼公司獲得。界面電子件290可接收包括模擬視頻控制信號和其它信號(下文將要詳 細說明)的輸入信號。探針控制界面電子件290可包括商業(yè)上使用的兼容芯 片組(例如可以從索尼電子公司獲得)，其用于將模擬視頻控制信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字控制信號，從而使空間光調(diào)制器250顯示適當?shù)南笏貓D案。因此，空間 光調(diào)制器250通過投影光學系統(tǒng)255投影圖案?？讖?60是孔徑光闌，其尺 寸大小可以提供合適的圖像空間分辨率，使圖像象差最小化，并且使光學系 統(tǒng)255具有合適的能量吞吐量。還可以控制標稱投影圖案平面262上的結(jié)構(gòu) 光圖案的投影圖像的焦深，其中該標稱投影圖案平面還是濾鏡265的標稱 (nominal)聚焦平面。該焦深大約與圖3所示的結(jié)構(gòu)光測量范圍Rl相同。 在一實施例中，投影結(jié)構(gòu)光圖像和濾鏡265的焦深都大約為正或負6毫米。當工件表面上的結(jié)構(gòu)光圖像映射在相機270的成像表面上時，濾鏡265 相對于結(jié)構(gòu)光圖案的標稱投影軸的角度為三角形角，其提供Z-hdght信息。 相機270的圖像可利用已知的三角形法進行分析。在一實施例中，相機270 具有控制電子件，其既不是電子件290也不是相機270本身(其可為具有控 制電路和/或軟件的集成相機系統(tǒng))。相機270通常包括特定計時功能等，其 控制合成時間、操作頻率等。相機觸發(fā)和控制線275a(在一些實施例中可為 多線路)觸發(fā)相機270執(zhí)行可選擇的功能，并且還發(fā)送更多的控制合成時間 等的控制信號。電源線275b為相機270提供電能。如圖所示，模擬視頻輸 出線275c包括虛線部分，其表示從相機270輸出的圖像數(shù)據(jù)可以通過旁路 穿過電子件290的其它部分，直接輸送到外部處理裝置(例如包含在非接觸 探針控制器170中的幀接收器)，在這種情況下相機270的輸出不需要被探 針控制界面電子件290操作。簡要說明結(jié)構(gòu)光測量原理，該結(jié)構(gòu)光探針110'利用激光器230和空間光 調(diào)制器250投影覆蓋工件表面上斑點的結(jié)構(gòu)光圖案(例如條紋)。從相機270 看，投影在工件表面上的每個條紋都具有偏移部分，其由工件照明特征表面
的Z-height表示。偏移部分的Z-height可根據(jù)三角形公式計算，由相機270 與標稱投影圖案平面262的成角方向和距離部分確定。因此每個輪廓條紋的 信息被重新組合以形成工件測量表面的三維表面圖。用于前述探針控制和測 量操作以及本發(fā)明其它操作的各個部件、控制信號技術(shù)、以及信號處理技術(shù) 在代理人案號為MEIP-1-27657的名稱為"Non-contact Probe Control Interface (非接觸探針控制界面)"的美國專利申請中詳細說明了，在這里引用其全 部內(nèi)容作為參考。關(guān)于測距操作，光束修正元件240的偏轉(zhuǎn)部分位于激光器230的前方， 集中激光束231'從偏轉(zhuǎn)部分朝偏轉(zhuǎn)鏡232'輸出。該激光束在進入偏轉(zhuǎn)部分之 前可被校準，因此在各個實施例中除了偏轉(zhuǎn)路徑都沒有變化。集中激光束 231'被鏡子232'向下反射到相機270的視覺區(qū)域,在此處其可在工件表面上 形成少量的集中照明，其由相機270成像以提供測距圖像。測距圖像可獲得 并如前述結(jié)構(gòu)光測量圖像一樣輸出?？梢钥闯鲇捎诩泄馐?31 '提供集中點 圖像，測距圖像可從遠離濾鏡265焦深的表面上獲得。在這種情況下，測距 圖像中的點可位于焦點外，但是仍分析其在圖像中的標稱"中心位置"(例 如通過利用已知圖像處理方法找到點質(zhì)心)，以提供相對精確的范圍測量。 關(guān)于測距和相關(guān)操作的附加相關(guān)內(nèi)容在下面詳細說明。結(jié)構(gòu)光圖像的獲取應該與光束修正元件240的散射部分提供的相對散 射的激光束231的產(chǎn)生同步，測距圖像的獲取應該光束修正元件240的偏轉(zhuǎn) 部分提供的相對集中激光束231'的產(chǎn)生同步。圖2和3所示的探針實施例包 括光電探測器236，其可通過光電探測器電源和信號線238輸出同步信號到 電子件290。如圖2和3所示，該光電探測器可定位在接收一部分不需要提 供結(jié)構(gòu)光圖案的散射激光束231的位置，并且在散射激光束231產(chǎn)生時輸出 高值信號。當集中激光束231'產(chǎn)生時，光電探測器236會輸出低值信號。電 子件290利用從光電探測器236輸出的信號的轉(zhuǎn)換來提供參考時間和/或觸發(fā) 信號，以同步各個成像搡作。在各個實施例中，其還可以作為控制光束修正 元件電才幾235速度的反饋信號。圖3所示，相機270的近似中心可定位在距濾鏡265標稱平面的距離b處， 該相機可相對于垂直于濾鏡265光軸的平面旋轉(zhuǎn)角度P 。在各個實施例中， 角度P是可被選擇的以提供標稱投影平面262的Scheimpf lug結(jié)構(gòu)，其還可
以是所獲得的結(jié)構(gòu)光圖像的標稱物體平面。從相機中心到其影像陣列邊緣的尺寸大約為X1。因此，光軸和圖像中最外光束271 (靠近圖3底部示出)之 間的角度s近似為"arc一^2！^) (方程式l)圖示的濾鏡265光軸相對于散射激光束231的光軸成角度a 1,其在這 種情況下與結(jié)構(gòu)光圖案的標稱投影軸和Z-probe方向的角度相同。濾鏡265 的光軸與平面262相交的中心點263為主參考點，其沿著光軸與濾鏡265的 標稱平面相距給定距離。因此，可以相對應探針110'的元件確定最外層光束 271與平面262相交的點264。所有前述幾何因素主要與探針的結(jié)構(gòu)光成像功能有關(guān)，以支持其主要的 以及最精確的測量模式。在下面關(guān)于探針110'設計方法的實施例的說明中， 它們都被認為是不變的以提供所需的測距范圍"R2far"。關(guān)于探針110'設計的相對靈活的一方面是偏轉(zhuǎn)鏡232'的位置和角度。如 圖3所示，相對集中激光束231'在鏡子232'上的偏轉(zhuǎn)點與已知點264 (最外 層成像光束271與標稱平面262相交處)在垂直于結(jié)構(gòu)光投影方向(Z-probe 方向)偏離AW，在平行于Z-probe方向偏離Ah。所示的角度oc2為相對集 中激光束231'的投影方向與Z-probe方向之間的夾角。從圖3中可以看出， 為了提供測距范圍R2far,在范圍R2far下限R2LL的表面上成像的點必須沿 垂直于Z-probe方向的方向定位在或位于已知點264的左邊距離w處。表示為 'w=(R2far) tancj) (方考呈式2 )w+Aw=(R2far+Ah)*tan(cc2) (方#呈式3 )其中角度小=(ccl-￡ )。從方程式2和3可以看出，為了使測距點在所需測距范圍R2far的表面 R2LL上成像，鏡子232'的位置和定位方式應使Aw、厶h和a2滿足下列條件 [(R2far+Ah) *tan (a 2) ]— Aw》(R2far) tancj) (方程式4 )在一實施例中，理想的結(jié)構(gòu)光成像的設計值ocl = 35。 、 0=19° 、 XI =5,、 b = 60mm,因此s =4.5° 、 c)) = 30. 5。。超出標稱平面262的理想 測距范圍可選擇為R2far-100mm。探針110〃的高度和寬度的尺寸在100mm
的量級。因此，對于按圖3所示的探針部件的布置來說，在一實施例中，可將鏡子232'定位成Aw^ 10mm、 Ah-110mm。因此，從方程式4以及前述值 可以得出，如果鏡子232'的角度012 = 18. 2° ，則可提供R2far-lOOmm的測 距范圍。可以看出前述設計值只是舉例說明，沒有限制作用。可以采用其它結(jié)構(gòu)。 還可以看出為了清楚簡明，前述分析進行了各種簡化。例如，測距點在表面 R2LL上的圖像是模糊的，并且部分模糊點(blurred spot)延伸到相機270 成像區(qū)域之外。因此可以通過圖像處理技術(shù)精確地定位點中心。因此，探針 110'的實際測距范圍小于上面所述的。對于本發(fā)明的特定纟笨針設計的實際測 距范圍可通過更全面的分析和/或?qū)嶒灤_定。關(guān)于圖3所示的測距范圍R2near，從圖3中可以看出，探針110'整個測 距范圍實際上是R2-R2far + R2near,其中R2near等于相對集中激光束231' 的^^徑與另一個"最外"成像光束272在點266處相交。通常，R2near不是 主要的設計參數(shù)，在該位置探針110'比結(jié)構(gòu)光成像范圍Rl更靠近工件，從 而存在碰撞危險，因此在許多應用中都是不采用的。因此，在這里不再詳細 說明測距范圍R2near。然而，可以看出范圍R2near在各種應用中是可利用 的測距范圍，尤其是當結(jié)構(gòu)光測量范圍Rl與探針110'距離相對遠時。在這 種情況下，如果需要可參考上述范圍R2far根據(jù)幾何原理確定范圍R2near。如上面所述，集中激光束231'可在平面上提供集中光照點，例如在各個 實施例中提供直徑為750微米量級的點。測距圖像包括遠離濾鏡265焦深(例 如位于范圍R1之外)的表面上的點模糊圖像。測距圖像中模糊點的質(zhì)心仍 可確定為幾象素、或很少象素、或更少，以在較大的范圍內(nèi)提供可用的范圍 測量。在各種應用中，這種范圍測量可用于近似立體測量、或作為用于引導 探針100'到位于標稱結(jié)構(gòu)光測量范圍Rl內(nèi)工件表面位置的反饋信號、或作 為可進行高速分析以預知和防止探針碰撞不希望的工件特征或其它障礙的 測量?？梢钥闯鰷y距點圖像在相機的位置相對于對應表面沿著Z-probe方向 的坐標位置通常不是線性的。然而，測距點圖像位置和沿著Z-probe方向的 表面坐標之間的關(guān)系可通過全面分析和/或?qū)嶒灤_定，并以對照表或以校準曲 線形式、或類似形式存儲。圖4表示旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的一個實施例，該元件包括第一偏轉(zhuǎn)部 分240A和可選4,的第二偏轉(zhuǎn)部分240B，如圖2和3所示其用于偏轉(zhuǎn)的相對
集中激光束231'。光束修正元件240的其余部分可包括散射部分240D,如 圖2和3所示其用于分散的相對散射激光束231。在一實施例中，理想的旋 轉(zhuǎn)光束修正元件的偏轉(zhuǎn)部分240A和240B重量輕或者動態(tài)平衡，這樣元件 240適于高速旋轉(zhuǎn)。如上面所述，散射部分240D的作用是局部散射用于消除相機270捕捉 的結(jié)構(gòu)光工件圖像斑點的激光照明。另外，在一實施例中，散射部分240D 可提供可選擇值(例如NA-0.5)的數(shù)值孔徑(NA),以分散照明，使其隨 后照明空間光調(diào)制器250的大部分或全部區(qū)域。制造和使用這種旋轉(zhuǎn)散射的 各種技術(shù)在美國專利公開No.2005/0207160Al以及美國專利No.6,081,381和 6,643,024中公開，每個文獻都包含在這里作為參考。偏轉(zhuǎn)部分240A和240B 可制成旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的一部分(例如通過已知衍射光學元件制造技 術(shù)或微模塑法(micro-molding)或類似方式)，或通過粘接或其它制造方法附加 在其上(例如微棱鏡或類似物)。商業(yè)上光學系統(tǒng)的提供者，例如Physical Optics Corporation (POC) of Torrance, California,可提供適于制造圖4所示旋 轉(zhuǎn)光束修正元件240各個實施例的產(chǎn)品和/或服務，其它變形實例也一樣。如圖所示旋轉(zhuǎn)光束修正元件240具有光束路徑BP，其實際上是從激光 器230輸入的光束在旋轉(zhuǎn)光束修正元件240操作時的路徑。在一實施例中， 光束路徑BP的半徑大約為13毫米，元件240的半徑大約為15 - 17毫米。 在一實施例中，每個偏轉(zhuǎn)部分240A和240B都覆蓋大約15°的區(qū)域。然而， 如靠近偏轉(zhuǎn)部分240A前和后邊緣的激光束輸入點LSI和LS2所示，由于需 要使整個激光束定位在偏轉(zhuǎn)部分內(nèi)以正確操作，所以它們的操作角度范圍在 許多情況下都較小(例如為大約12° )。如下面詳細說明的，當光束修正元件240旋轉(zhuǎn)時，激光在激光點LSI 和激光點LS2之間移動所需的時間確定激光束被偏轉(zhuǎn)部分240A偏轉(zhuǎn)以提供 適于照明測距圖像的相對集中激光束231'的時間量。在各個實施例中，相機 270可以提供大約33Hz幀頻的輸出圖像。因此在一實施例中，光束修正元 件240可以大約3600rpm ( = 1Hz )的速度旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)部分240A可用于提供 12。旋轉(zhuǎn)范圍，從而可提供每秒大約1/30的測距照明，其足以曝光33Hz幀頻 的測距圖像。如果還包括可選擇的偏轉(zhuǎn)部分240B,則測距測量可提供2Hz 的頻率。如果結(jié)構(gòu)光圖像在相應圖像合成期間被充分曝光，則散射部分240D 可提供每秒鐘大約30結(jié)構(gòu)光圖像的相對散射照明231。
可以看出如果在整個相機合成期間測3巨點圖像被所提供的點照明過分 曝光，則當激光束穿過偏轉(zhuǎn)部分時可以閘的方式打開和關(guān)閉激光束，以控制 測距圖像曝光時間，并且在這種情況下偏轉(zhuǎn)部分可覆蓋較少的角度范圍。通 常，為了確保測距圖像、或結(jié)構(gòu)光圖像的適當曝光，需要調(diào)整各種因素，包括元件240的旋轉(zhuǎn)速度、激光功率和/或激光開/關(guān)時間、相機合成周期等。在一實施例中，激光器的控制可與相機的合成時間同步，這樣如果結(jié)構(gòu)光圖 像需要非常長的合成時間，可以在穿過偏轉(zhuǎn)部分時曝光的任意時間關(guān)閉激光 器。因此如果需要，可以在整個圖像曝光時只有結(jié)構(gòu)光照明。圖5是表示操作根據(jù)本發(fā)明的多范圍結(jié)構(gòu)光探針流程600的流程圖。如 圖5所示，在方框610中，光束修正元件的第一部分定位在激光束中。這與 在光束修正元件旋轉(zhuǎn)時光束修正元件的散射部分位于激光器發(fā)射的光束路 徑中相對應。在方框615,激光束從第一部分輸出并且持續(xù)為沿第一光束路 徑的相對散射照明。換句話說，在一實施例中，在激光束穿過光束修正元件 的散射部分后，光束被局部散射，從而其可用于在為結(jié)構(gòu)光圖像提供光照時 抑制斑點。在各個實施例中，第一部分還可使局部散射照明根據(jù)預定的數(shù)值 孔徑分散。在一實施例中，第一光束路徑可包括一個或多個偏轉(zhuǎn)鏡。在方框 620中，相對(局部)散射激光束照明被沿著第一光束路徑定位的空間光調(diào) 制器圖案化。在方框625中，圖案化的散射照明投影以在結(jié)構(gòu)光成像范圍(例 如圖3所示的結(jié)構(gòu)光成像范圍Rl)提供結(jié)構(gòu)光圖案，該范圍為相對于探針 的第一距離范圍。在方框630中，如果在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)存在一工件表面， 則在工件表面上形成結(jié)構(gòu)光圖案以提供在相對于探針的第一距離范圍內(nèi)的 表面測量數(shù)據(jù)。換句話說，從探針相機捕捉的三角形圖像來看，結(jié)構(gòu)光圖案 (例如光條紋)根據(jù)工件表面每個部分的高度形成輪廓。分析結(jié)果數(shù)據(jù)以在 相對于探針的第一距離范圍(例如在濾鏡和結(jié)構(gòu)光投影光學系統(tǒng)的焦深內(nèi)) 確定精確的工件三維表面圖。然后流程進行到方框640,光束修正元件的第二部分定位在激光束中。 在一實施例中，這與在光束修正元件旋轉(zhuǎn)時定位在激光器發(fā)出的光束路徑中 的光束修正元件的光束偏轉(zhuǎn)部分對應。在方框643中，激光束從第二部分輸 出并且持續(xù)作為沿第二光束路徑的相對集中照明，該第二光束路徑延伸穿過 作為相對于探針的第二距離范圍的測距范圍。換句話說，在一實施例中，激 光束是緊密相對集中光束(例如校準的集中光束)，其穿過光束修正元件的
偏轉(zhuǎn)部分并且保留沿第二光束路徑被偏轉(zhuǎn)部分偏轉(zhuǎn)的集中光束，以在測距圖 像中提供集中照明區(qū)域(例如點)。在一實施例中，第二光束路徑可包括一個或多個偏轉(zhuǎn)鏡。在方框645中，如果在測距成像范圍內(nèi)存在一工件表面，則在工件表面上的緊湊照明區(qū)域形成圖像，以提供在相對于探針的第二距離 范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)。相對于探針的第二距離范圍包括比第 一距離范圍離 探針遠的距離。換句話說，從探針相機捕捉的三角形圖像來看，偏轉(zhuǎn)的集中 激光束在圖像中的位置根據(jù)其照明的工件表面部分的高度確定。結(jié)果圖像數(shù) 據(jù)使工件表面與探針的距離由延伸超出結(jié)構(gòu)光成像范圍的測距成像范圍確 定。因此，根據(jù)本發(fā)明的探針可在多級測量范圍內(nèi)以簡單、快速且通用方式 利用少量部件提供多種類型的三角形測量。如前面所述，可用于提供前述探針控制和測量操作以及根據(jù)本發(fā)明的其 它操作的各種部件、控制信號技術(shù)和信號處理技術(shù)在代理人案號為MEIP-1 -27657的名稱為"Non-contact Probe Control Interface"的美國專利申請中詳細說明了。根據(jù)本發(fā)明的測距圖像結(jié)合所述方法可以很容易地獲得。 例如在一簡單實施例中，非接觸探針控制器170和/或計算機和用戶接口 160 可簡單地周期發(fā)送一組探針部件控制信號，其適于獲取探針控制界面電子件 290的測距圖像。這可利用所述相同方法發(fā)送各個結(jié)構(gòu)光圖像探針部件控制 信號到探針來實現(xiàn)。在這種實施例中，探針控制界面電子件290可包括簡單 的"抑制"邏輯電路或程序，其通過包含在周期發(fā)送的測距圖像控制信號中 的編碼或信號實現(xiàn)。當這種信號被探針控制界面電子件290接收后，該抑制 邏輯電路可限制相機觸發(fā)信號，例如直到它們接收到光電探測器236輸出的 "缺少散射照明"同步信號為止，如前面所述。因此，可以確保在相對集中 照明沿其相應光束路徑產(chǎn)生時獲得測距圖像。類似地，探針控制界面電子件290可包括由包含在周期發(fā)送的測距圖像 控制信號中的編碼或信號實現(xiàn)的其它"抑制"邏輯電路或程序。當這種信號 探針控制界面電子件290接收后，相關(guān)抑制邏輯電路可限制相機觸發(fā)信號， 除非它們接受到光電探測器236輸出的"缺少散射照明，，同步信號為止。因 此可以確保在相對集中照明沿其相應光束路徑產(chǎn)生時獲得測距圖像。本領(lǐng)域 技術(shù)人員根據(jù)前面所述內(nèi)容可以得出各種其它控制和同步方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公開內(nèi)容可以看出所示和所述的特征布置和操作 的各種變形。例如，在一些實施例中光束修正元件的輸出相對集中激光束的
部分可用于輸出條紋、或關(guān)系已知的三點等。因此，范圍測量可由表面上的 有限個點確定，例如確定表面方向或類似方面。此外，雖然前述實施例已經(jīng) 說明了作為相對集中光束的偏轉(zhuǎn)光束，但應理解，在一些實施例中，光束修 正元件和探針可設計成使相對集中光束不被光束修正元件偏轉(zhuǎn)，局部散射光 束是偏轉(zhuǎn)到合適光學路徑上的光束。在這種實施例中，光束修正元件的輸出 相對集中光束的部分可包括簡單的透明部分、或打開部分(例如穿過光束修 正元件的孔)、或類似物。此外，在一些實施例中，優(yōu)選構(gòu)成的"線性"光 束修正元件可用于線性往復移動，作為這里所述的;J走轉(zhuǎn)光束修正元件的一個 可替代方式。因此，雖然已經(jīng)表示和說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是可以 看出沒有超出本發(fā)明構(gòu)思和范圍的各種變形。
權(quán)利要求
1.一種用于測量工件尺寸的測量探針，該探針包括至少一個相機；結(jié)構(gòu)光投影部分；產(chǎn)生光束的光束產(chǎn)生元件；包括第一部分和第二部分的光束修正元件，以及光束修正元件移動器，其用于移動所述光束修正元件，從而使光束可輸入到所述第一和第二部分；其中該光束修正元件移動器部分可操作，以在第一時間周期使所述光束修正元件的第一部分定位而輸入光束；在所述第一時間周期內(nèi)，光束從第一部分輸出作為沿第一光束路徑的相對散射照明，并且被空間光調(diào)制器圖案化以及在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)投影出結(jié)構(gòu)光圖案，其中所述結(jié)構(gòu)光成像范圍是相對于測量探針的第一距離范圍；該光束修正元件移動器部分可操作，以在第二時間周期使所述光束修正元件的第二部分定位而輸入光束；在所述第二時間周期內(nèi)，光束從第二部分輸出作為沿延伸穿過測距成像范圍的第二光束路徑的相對集中照明，其中測距成像范圍是相對于測量探針的第二距離范圍；在所述第一時間周期內(nèi)，至少一個相機操作以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上，以提供所述相對于探針的第一距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)；以及在所述第二時間周期內(nèi)，至少一個相機操作以將相對集中照明成像在測距成像范圍內(nèi)的表面上，以提供所述相對于探針的第二距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)，其中第二距離范圍包括離探針比所述第一距離范圍遠的距離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述第一部分包括輸出局部散射 照明的散射部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的探針，其中，所述第一部分輸出局部分散的散 射照明。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的探針，其中，所迷第二部分包括偏轉(zhuǎn)部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的探針，其中，所述光束修正元件包括旋轉(zhuǎn)光束 修正元件，所述偏轉(zhuǎn)部分繞著旋轉(zhuǎn)光束修正元件的標稱光束路徑覆蓋至多30 度的角度范圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的探針，其中，所述偏轉(zhuǎn)部分覆蓋至多15度的角 度范圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述至少一個相機由單個相機組 成，并且可操作以將所述結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上 的所述至少一個相機和可操作以將所述相對集中照明成像在所述測距成像 范圍內(nèi)表面上的所述至少一個相機為同一相機。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述相對集中照明在測距成像范 圍內(nèi)的表面上的圖像包括模糊點。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的探針，其中，在坐標測量系統(tǒng)中分析所述圖像 中模糊點的位置，以確定相對于探針的第二距離范圍內(nèi)的表面的照明部分的 大致位置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，標稱結(jié)構(gòu)光成像范圍跨距最多為 10mm,標稱測距成像范圍的跨距至少為50mm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的探針，其中，所述至少一個相機由單個相機組 成，并且可操作以將所述結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上 的所述至少 一個相機和可操作以將所述相對集中照明成像在測距成像范圍 內(nèi)表面上的所述至少一個相機為同 一相機。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的探針，其中，所述標稱測距成像范圍的跨距至 少為75mm,并且包括所述標稱結(jié)構(gòu)光成像范圍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的探針，其中，所述第二距離范圍包括離探針比 包含在所述第 一距離范圍內(nèi)的離探針最大距離遠至少75mm的距離。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述探針包括至少一個沿至少所 述第一和第二路徑之一定位的反射表面，所述探針的結(jié)構(gòu)使所述結(jié)構(gòu)光圖案從所述探針以相對于相機光學系統(tǒng)的光軸成第一角度地投影，并且所述相對 集中照明從探針以相對于所述光學系統(tǒng)的光軸成第二角度地投影。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的探針，其中，所述第二角度小于第一角度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述探針包括坐標測量儀自動連 接器，并且所有絕緣體電源、接地和為結(jié)構(gòu)光測量探針發(fā)送信號以及從那接 收信號的信號連接器都通過包含在所述坐標測量儀自動連接器中的連接器 插頭形成。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的探針，其中，所述坐標測量儀自動連接器是RenishawTM型儀器的標準結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的探針，其中，所述探針包括探針接口電路，所 述結(jié)構(gòu)光投影部分包括可控的陣列型空間光調(diào)制器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11的探針，其中，所述光束產(chǎn)生元件包括半導體激光器。
20. —種操作測量探針的方法，所述測量探針包括相機、結(jié)構(gòu)光投影 部分、產(chǎn)生光束的光束產(chǎn)生元件、包括第一部分和第二部分的光束修正元件、 以及用于移動光束修正元件從而使光束可輸入到第一和第二部分的光束修 正元件移動器，所迷方法包括操作該光束修正元件移動器部分，以在第一時間周期使光束修正元件的 第一部分定位而輸入光束；在第 一時間周期內(nèi)，從第 一部分輸出光束作為沿第 一光束路徑的相對散 射照明，使用空間光調(diào)制器圖案化該相對散射照明，并且在結(jié)構(gòu)光成像范圍 內(nèi)投影該圖案化的相對散射照明作為結(jié)構(gòu)光圖案，其中所述結(jié)構(gòu)光成像范圍 是相對于測量探針的第 一距離范圍；操作該光束修正元件移動器部分，以在第二時間周期使光束修正元件的 第二部分定位而輸入光束；在第二時間周期內(nèi)，從第二部分輸出光束作為沿延伸穿過測距成像范圍 的第二光束路徑的相對集中照明，其中所述測距成像范圍是相對于測量探針 的第二距離范圍；在第一時間周期內(nèi)，如果在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)存在一工件表面，那么操 作相機以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的所述工件表面上，以提供相對于探針的第一距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)；以及在第二時間周期內(nèi)，如果在測距成像范圍內(nèi)存在一表面，那么操作相機 以將相對集中照明成像在測距成像范圍內(nèi)的所述表面上，以提供相對于探針 的第二距離范圍內(nèi)的表面測量數(shù)據(jù)，其中第二距離范圍包括離探針比第 一距 離范圍遠的距離。
全文摘要
一種多范圍非接觸探針，除了具有更精確的結(jié)構(gòu)光測量功能之外還能執(zhí)行測距測量功能。該探針與探針控制界面兼容，從而使有限數(shù)量的線連接的探頭系統(tǒng)具有先進測量性能和功能。探針的激光束在第一時間周期內(nèi)沿第一光學路徑定向以提供結(jié)構(gòu)光功能，在第二時間周期沿第二光學路徑定向以提供測距功能。具有光學特性不同的至少第一和第二部分的單個光束修正元件移動以從第一部分沿第一光學路徑輸出激光束，然后從第二部分沿第二光學路徑輸出激光束。
文檔編號G01C3/08GK101118153SQ20071013823
公開日2008年2月6日 申請日期2007年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者保羅·格拉德尼克, 斯科特·哈西拉 申請人:三豐株式會社